모든 것이 ORANs에 관한 것: PCB 디자이너를 위한 오픈 라디오 액세스 네트워크 가이드

2020년은 팬데믹, 주식시장의 붕괴와 회복, 양자 컴퓨팅의 진보, 그리고 5G의 시험적인 출시와 같은 역사적인 사건들과 기술의 진보가 공존한 해였습니다. 이러한 이상한 사건들과 기술의 발전 속에서, 통신 분야의 유행어와 약어들이 기술 용어집에서 더욱 두드러지게 되었습니다. "오픈 라디오 액세스 네트워크"는 유행어의 지위를 넘어서 오픈 하드웨어, 펌웨어, 그리고 소프트웨어 아키텍처를 통해 새로운 기술을 가능하게 하는 용어 중 하나입니다.

오픈 라디오 액세스 네트워크는 상호운용성을 향한 라디오 네트워크의 지속적인 혁명의 일부입니다. 이 아이디어는 LTE 시대에 있었던 것처럼 운영사 간의 상호운용성 협약 없이 오픈 액세스 네트워크를 만드는 것입니다. 이것은 네트워크의 소프트웨어 아키텍처에서의 변화만이 아니라, 하드웨어 플랫폼이 라디오 네트워크, 특히 미래의 5G 사양과 상호작용하는 새로운 방식입니다.

다양한 OpenRAN 아키텍처

오늘날, 통신 운영자들은 네트워크를 구축하고 운영하기 위해 필요한 하드웨어, 공급업체 및 소프트웨어의 다양성이 필요합니다. 개방형 무선 접속 네트워크, 또는 ORAN은 칩셋, 소프트웨어 및 기타 현장에서 구할 수 있는 하드웨어 간의 상호 운용성을 보장함으로써 이 다양성을 제공하려고 합니다. 이것은 하드웨어 챌린지이자 소프트웨어/펌웨어 챌린지입니다; 하드웨어는 ORAN 사양에서 요구하는 성능과 테스트 요구 사항을 충족해야 하지만, 모든 것을 연결하는 애플리케이션 계층도 있습니다. 개방형 아키텍처를 사용하는 것은 모듈성, 낮은 연구 및 개발 비용, 그리고 현장에서 구할 수 있는 하드웨어와의 호환성과 같은 실질적인 이점이 있습니다.

개방형 무선 접속 네트워크의 기본 목표는 비교적 단순하지만, 몇 가지 개방형 무선 접속 네트워크 이니셔티브와 약어가 있습니다. 특히, “개방형 무선 접속 네트워크”라는 표현은 다음 약어 중 하나를 가리킬 수 있습니다:

• Open RAN, 또는 그 약어 ORAN은 어떤 개방형 무선 접속 네트워크를 가리킬 수 있는 일반적인 용어입니다.
• O-RAN은 특히 O-RAN Alliance를 가리키며, RAN 사양, ORAN을 위한 오픈 소프트웨어를 발표하고, 회원들이 그들의 구현을 통합하고 테스트하는 것을 지원합니다.
• OpenRAN은 벤더 중립적 하드웨어와 소프트웨어 정의 기술을 사용하여 2G 및 그 이후의 ORAN 솔루션을 정의하고 구축하기 위한 Telecom Infra Project의 이니셔티브를 말합니다.
• OpenRAN 5G NR은 5G NR 기술을 기반으로 한 ORAN을 구축하는 데 특별히 중점을 둔 Telecom Infra Project의 프로젝트 그룹입니다.

O-RAN Alliance는 아마도 5G 상호운용성을 향해 나아가는 가장 유망한 조직일 것입니다. 이 조직은 테스트 및 통합부터 화이트박스 하드웨어 요구 사항 및 애플리케이션 스택 요구 사항에 이르기까지 모든 것에 대한 사양을 발표했습니다. 또한, 기지국 장비를 개발하는 누구나를 위한 다수의 참조 설계도를 발표했습니다. 그들의 사양 및 참조 설계 문헌을 무료로 다운로드하려면, O-RAN.org 웹사이트를 방문하세요. Keysight와 Xilinx와 같은 다른 회사들은 ORAN 장치를 목표로 하는 제품 포트폴리오를 개발하고 있습니다.

반도체 산업은 표준화된 디지털 인터페이스의 구현을 통해 IC들 사이의 일반적인 상호운용성을 보장하는 데 탁월한 업적을 달성했습니다. 서로 다른 벤더의 다른 칩이 호환되거나 인터페이스를 맞춤으로써 호환될 수 있다는 것을 알고 있습니다. ORAN에서 사용되도록 설계된 하드웨어는 동일한 목표를 달성하려고 하지만, 표준 셀룰러 네트워크 아키텍처 내에서 여전히 운영되면서 펌웨어 및 소프트웨어 설계의 추가 수준을 가지고 있습니다(아래 참조).

ORAN 하드웨어의 PCB 설계 과제

ORAN 하드웨어 시스템은 고속, 고주파 또는 둘 다인 경우가 많으며, 이러한 시스템을 구축하려면 신호 및 전력 무결성을 염두에 두고 혼합 신호 설계를 이해해야 합니다. 또한, 이러한 시스템은 현장에 배치되어 영구적인 가동 시간을 유지해야 하므로, 적어도 Class 2에 해당하는 견고한 설계 요구 사항을 준수해야 합니다.

일반적인 ORAN 제품에 포함될 수 있는 고속 인터페이스에는 다음이 포함됩니다:

• PCIe: 주로 호스트 프로세서와 주변 장치 간의 통신에 사용됩니다. O-RAN의 참조 설계는 병렬로 여러 레인을 사용하는 경우와 기판 내 데이터 전송이 약 100 GT/s에 이르는 경우를 인용합니다.
• DDR3 이상: 분명히, 이는 기판 메모리에 접근하는 데 사용됩니다. 일부 참조 설계는 DDR4를 통해 2667 GHz의 속도를 보여줍니다.
• Ethernet: 기지국 시스템 및 기타 프론트홀/백홀 장비에서 예상할 수 있는 또 다른 명백한 인터페이스로, 구리 및 광섬유를 통해 다른 네트워킹 장비와 인터페이스하는 데 사용됩니다.
• 고속 SerDes 채널: 중요한 구성 요소 간의 고속 데이터 전송은 SerDes 채널을 통해 여러 인터페이스에 걸쳐 지정되며, 연결된 고해상도 디스플레이(예: HDMI)가 필요한 장비가 한 예입니다.

위의 목록에서 알 수 있듯이, ORAN 제품은 임베디드 엣지 서버에 가까울 수 있으며, 송수신기로부터 초고주파 신호가 오고 갈 수 있습니다. 이러한 아키텍처는 임베디드 AI 애플리케이션을 포함하여 기기 내 네트워크 관리가 필요한 기기 내 통신 애플리케이션을 지원하도록 의도되었습니다. 새로운 범용 프로세서 클래스가 없는 경우, 대부분의 참조 설계는 FPGA와 x86/ARM CPU를 호스트/주변기기 컨트롤러로 사용하도록 지정합니다.

마지막으로, 일부 ORAN 제품의 RF 섹션은 아날로그 프론트엔드와 직접 인터페이스해야 할 수도 있습니다. 이때 보드 배치가 중요해지며, 혼합 신호 크로스토크, 반환 경로 계획, 아날로그 신호의 왜곡과 같은 문제가 중요해집니다. 최근 한 고객과의 협업에서, 저희 팀은 기판 통합 도파관 라우팅을 사용하여 이러한 도전 과제 중 일부를 극복할 수 있었는데, 이는 전자기적으로 시끄러운 환경에서 주요한 격리 이점을 가지고 있습니다.

RF 신호 무결성을 보장하는 또 다른 방법은 4G/5G 핸드셋에서 착안하여 PCB에 직접 인쇄된 격리 구조를 배치하는 것입니다. 이러한 설계는 어려울 수 있지만, 5G 주파수에서 작업할 때는 추가적인 격리가 신호 무결성을 보장하는 데 필요합니다. 5G 주파수에서 라우팅 및 레이아웃에 대해 자세히 알아보려면 Mike Creeden의 2019년 AltiumLive 발표를 시청하는 것을 추천합니다.

OpenRAN 아키텍처와 같은 새로운 기술이 기술적 풍경을 지배하기 시작할 때, 우리는 여러분에게 필요한 설계 지침을 제공할 것입니다. Altium Designer®의 스키마틱 디자인, 시뮬레이션 및 PCB 레이아웃 기능은 오픈 라디오 액세스 네트워크에서 요구하는 오픈 하드웨어 플랫폼을 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다. Altium Designer 21의 업데이트된 시뮬레이션 UI는 새로운 하드웨어 플랫폼에서 하위 시스템을 구축하고 최적화하는 데 핵심입니다.

디자인을 마치고 프로젝트를 공유하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 다른 디자이너들과 협업하기 쉽게 만들어 줍니다. Altium Designer를 Altium 365에서 사용하여 할 수 있는 일의 표면만 긁어본 것입니다. 보다 심층적인 기능 설명이나 제품 페이지에서 하나의 온디맨드 웨비나를 확인할 수 있습니다.